1.1 研究的背景与意义
根据 BP《2015 世界能源统计》的数据显示，世界一次能源消费总量在 2015年已达到 131.473 亿吨石油当量，如图 1.1 所示，其中石油、天然气和煤炭占到了总能源消耗量的 86%，依旧是目前最主要的能源[1]。同时 BP 能源年鉴指出，煤炭储采比为 114 年；而石油、天然气的储采比仅为 50.7 年和 52.8 年。因此，即使化石燃料矿藏不断被发现，能源紧张依旧是不容忽视的问题[2][3]。同时使用化石燃料带来了大量环境问题。其中温室效应威胁着全人类的生存安全。科学观测表明，从 1906 年到 2005 年间，全球地表平均温度上升了 0.74℃[4]。如果不对其严格控制，温室效应将导致地球两极的冰川融化，海平面上升，淹没大量土地。在 2015 年 12 月，全球近 200 个缔约方一致通过了《巴黎协议》，各方将加强合作，减少温室气体的排放。为此寻找和开发绿色能源成为世界各国关注的重点问题之一。太阳能作为一种可再生能源，具有清洁、环保、持续、长久等优势，是应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，被认为是 21 世纪最重要的能源之一[5][6][7]。 目前，太阳能主要有光热、光伏发电和光化学三种利用形式[8][9]。其中光伏发电占据主导地位。受石油危机和环境污染问题的影响，世界各国政府更加重视光伏发电，相继颁布了各种扶持光伏产业发展的政策，使光伏发电得以快速、稳定发展[10][11]。但是，光伏发电系统高昂的成本阻碍了其自身的普及，因而提高光伏发电系统的经济性势在必行[6]。光伏逆变器是光伏发电系统中实现 DC-AC 转换的核心，提高光伏逆变器的效率并降低其成本对光伏发电系统的经济性具有重要影响。
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1.2 多电平逆变器研究现状
多电平逆变器由于一系列的优点，在光伏发电领域逐渐得到重视。多电平逆变器输出电压为多电平阶梯波，其谐波含量较小，可使用较小的滤波器进行滤波，因而能够减小逆变器的体积与重量。同时多电平逆变器的输入电压可由不同的功率单元进行分压，因而可以使用效率更高的低压器件。根据拓扑结构的特点，多电平逆变器主要分为三种类型：二极管箝位型[15]（Neutral-Point-Clamped，NPC）、飞跨电容型[16] (Flying Capacitor, FC)和级联型[17][18](Cascaded H-bridge, CHB)。 图 1.2 为二极管箝位型三电平逆变器拓扑原理图，由日本长冈科技大学的多位学者于 1980 年在 IEEE 工业应用（IAS）年会上首次提出。如果使用更多箝位二极管和开关管，该拓扑可以拓展到更多电平结构。图 1.2 中，电容1C 、2C 的用来能量缓冲和稳定直流电压，箝位二极管1D 、2D用来将输出电平箝位在 0 电平。该拓扑工作方式如下：开关管1 3S 与S 互补导通，开关管2 4S 与S 互补导通；当1 2S 、S 导通, 3 4S 、S 关断时，逆变器输出+Vdc；当 2 3S 、S 导通, 1 4S 、S 关断时，输出电压为 0；当3 4S 、S 导通、1 2S 、S 关断时，逆变器输出-Vdc。通过驱动信号控制四个全控型开关器件动作，使逆变器输出所需要的三电平波形[15]。
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第二章 级联 H 桥逆变器工作原理
2.1 工作原理
M.Marchesoni 等人在 1988 年的 PESC 会议上提出了级联型多电平逆变器，但实际上早在 1975 年 R.H.Baker 等人就对级联型拓扑申请了专利，但在此后多年中这种拓扑却并没有得到推广。直到 1997 年该拓扑才开始得到应用，例如静止无功补偿器（STATCOM）及有源电力滤波器（APF）等。但在新能源领域，该拓扑还一直处于实验室研究阶段，直到近期才开始商业化应用[43]。 图 2.1（a）为单相两模块级联全桥逆变器拓扑，与二极管箝位型和飞跨电容型不同，当级联型拓扑组成三相系统时，首先由多个全桥模块级联成单相系统，三相之间再采用三角形或星型连接而成，图 2.1（b）为采用星型连接的三相级联五电平逆变器拓扑。本文主要研究单相级联 H 桥逆变器，三相不做过多讨论。与二极管箝位型和飞跨电容型多电平逆变器相比，级联型拓扑不需要钳位二极管和飞跨电容，但却需要多个独立的直流电压源。在输出电平数相同的情况下，级联拓扑所需的电力电子器件最少。表2.1为各模块电容电压均衡条件下两模块级联逆变器开关状态与输出电压之间关系，其中“1”表示开通，“0”表示关断。由表2.1可以看到，两模块级联情况下，逆变器最多可以输出5种电平，分别是，2Vdc、Vdc、0、-Vdc、-2Vdc，其中Vdc为各模块直流侧电容电压。实际上两模块级联情况下，逆变器总共有16种开关状态，由于逆变器的总输出电压为两模块各自输出电压之和，因而在部分输出电压下有冗余开关状态。
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2.2 调制策略
级联型多电平逆变器的 PWM 调制分为多种，主要有以下几种：阶梯波调制法、载波调制法和空间矢量法，如图 2.2 所示。其中阶梯波调制法可分为波形逼近法与特定谐波消除法，载波调制法又可分为开关频率优化法、载波层叠调制法和载波相移调制法。由于空间矢量调制法仅适用于三相系统，而不适用于单相系统，因而本文主要对阶梯波调制法和载波调制法进行介绍。 波形逼近法是一种通过对参考电压的量化逼近来获得阶梯形输出电压的方法，其基本原理如图2.3所示。对控制电路的要求相对较低。但由于该调制方法开关频率低，输出电压的谐波含量较大，因而该方法常用于电力系统无功功率补偿等场合。 按照（2.2）中计算得出的角度作为逆变器导通角，总电压输出波形将不包含5 次和 7 次谐波分量，THD 为 12.5%。而线电压中三次谐波分量相互抵消，THD将进一步降低。可以看出，采用特定谐波消除法的 N 单元级联型逆变器线电压中将不会含有 2N+1 以下次的谐波分量。但由于计算开关角的过程中需要计算大量超越方程，受制于微处理器的计算能力，特定谐波消除法只能用于级联模块数较少的情况下。
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第三章 基于调制策略的漏电流抑制 ......... 22
3.1 级联 H 桥共模等效模型......... 22
3.1.1 非对称电路分析........... 24
3.1.2 对称电路分析...... 25
3.2 基于调制策略的漏电流抑制........... 27
3.2.1 两模块级联漏电流抑制策略......... 27
3.2.2 多模块级联漏电流抑制策略......... 30
3.3 模块电压均衡策略......... 32
3.4 本章小结....... 35
第四章 基于硬件方案的漏电流抑制 ......... 36
4.1 基于改进拓扑的漏电流抑制........... 36
4.2 基于共模滤波器的漏电流抑制....... 40
4.3 本章小结....... 46
第五章 仿真分析 ..... 47
5.1 仿真模型与参数.... 47
5.2 两模块 MPDPWM 仿真 ......... 49
5.3 多模块 MPDPWM 仿真 ......... 52
5.4 本章小结....... 53
第六章 平台与实验
为进一步验证本文提出的漏电流抑制策略的有效性，在实验室搭建了一台4k W 的级联光伏并网逆变器样机，如图 6.1 所示。该样机硬件电路由主控板、DSP板与子模块组成，系统架构为双层结构，主控采用 Ti 公司的 F28335 芯片,子模块采用 PIC33EV 单片机作为从控，主控与从控之间通过 Can 进行通讯。下面对平台参数设计与软硬件结构做详细介绍。
6.1 平台参数设计
样机参数选择是系统设计的重要部分，不合适的参数设计将导致系统的快速性和稳定性都受到影响，甚至无法正常工作，下面分别对系统主要的电路参数设计进行研究。 常见的多晶硅光伏电池板的额定功率约为 250W（60pis），峰值电压约为 30V。综合考虑到 MPPT 范围与系统效率和成本，最大功率点处的调制度设定为 0.8。电网电压有效值为 220V，波动范围为±15%，为使逆变器顺利并网，子模块最少个数为：311*1.15/24≈15，考虑一定的电压裕度，选择 16 块子模块级联.并网逆变器的网侧滤波电感设计至关重要，它不仅影响到逆变器电流响应的动静态性能，同时影响到网侧电流的谐波含量高低。对于电感值的选取主要从快速性和谐波抑制两个方面来考虑，下面分别进行讨论。 实际设计中由于电感值增大会带来体积和成本的增高，所以通常只考虑取电感的下限值，考虑到级联型逆变器各单元工作状态可能不一致需要增加一定的裕度，总电感取值为 3m H，采用对称电感电路时，每个电感取值为 1.5m H.
总结
光伏并网技术是一项应对能源危机的新型技术，提高光伏系统的效率并降低系统成本一直是
